Vue d'artiste de Mars Express. L'arrière-plan est basé sur une image réelle de Mars prise par la caméra stéréo haute résolution du vaisseau spatial. Crédit :Spacecraft Crédit image :ESA/ATG medialab; Mars :ESA/DLR/FU Berlin, CC BY-SA 3.0 IGO
Mars a perdu la majeure partie de son eau autrefois abondante, avec de petites quantités restant dans l'atmosphère de la planète. Le Mars Express de l'ESA en révèle maintenant plus sur l'endroit où cette eau est allée, montrant que sa fuite dans l'espace est accélérée par les tempêtes de poussière et la proximité de la planète avec le Soleil, et suggérant qu'une partie de l'eau s'est peut-être retirée sous terre.
Bien qu'aride aujourd'hui, Mars était probablement autrefois un monde recouvert d'eau comme le nôtre. La preuve en est visible dans les images de vastes, canaux d'écoulement formés par les crues, vallées fluviales et deltas creusés dans la surface de la planète, ainsi que dans les observations radar de réservoirs d'eau liquide enfermés sous la glace et la poussière du pôle sud de Mars.
L'eau ne peut désormais exister sur Mars que sous forme de glace ou de gaz en raison de la faible pression atmosphérique sur la planète, soit moins de 1% de celui de la Terre. Mars a perdu une grande partie de son ancienne eau dans l'espace au cours des derniers milliards d'années, et fuit encore de l'eau de son atmosphère aujourd'hui.
Deux nouvelles études, dirigé par Anna Fedorova de l'Institut de recherche spatiale de l'Académie des sciences de Russie et Jean-Yves Chaufray du Laboratoire Atmosphères Observations Spatiales, La France, clarifiez maintenant comment l'eau se déplace et quitte l'atmosphère de Mars. Ils révèlent que ce processus est affecté par la distance de la planète au Soleil et les changements de son climat et de sa météo, y compris les énormes tempêtes de poussière mondiales souvent observées sur la planète.
Les deux études ont utilisé de vastes, ensembles de données pluriannuels obtenus par l'instrument SPICAM de l'orbiteur (Spectroscopie pour l'investigation des caractéristiques de l'atmosphère de Mars).
"L'atmosphère est le lien entre la surface et l'espace, et a donc beaucoup à nous dire sur la façon dont Mars a perdu son eau, " dit Anna. " Nous avons étudié la vapeur d'eau dans l'atmosphère depuis le sol jusqu'à 100 km d'altitude, une région encore à explorer, sur huit années martiennes."
Anna et ses collègues ont découvert que la vapeur d'eau restait confinée à moins de 60 km lorsque Mars était loin du Soleil, mais s'étendait jusqu'à 90 km d'altitude lorsque Mars était la plus proche du Soleil. Sur une orbite complète, la distance entre le Soleil et la planète rouge varie de 207 millions à 249 millions de km.
Près du Soleil, les températures plus chaudes et la circulation plus intense dans l'atmosphère empêchaient l'eau de geler à une certaine altitude. "Puis, la haute atmosphère devient humidifiée et saturée d'eau, expliquer pourquoi les taux de fuite d'eau s'accélèrent au cours de cette saison - l'eau est transportée plus haut, l'aidant à s'échapper dans l'espace, " ajoute Anne.
Au cours des années où Mars a connu une tempête de poussière mondiale, la haute atmosphère est devenue encore plus humide, l'accumulation d'eau en excès à des altitudes supérieures à 80 km.
"Cela confirme que les tempêtes de poussière, qui sont connus pour réchauffer et perturber l'atmosphère de Mars, aussi livrer de l'eau à haute altitude, " dit Anna. " Grâce à la surveillance continue de Mars Express, nous avons pu analyser les deux dernières tempêtes de poussière mondiales, en 2007 et 2018, et comparez ce que nous avons trouvé aux années sans tempête pour identifier comment les tempêtes ont affecté l'évacuation de l'eau de Mars. »
La caméra stéréo haute résolution à bord de Mars Express de l'ESA a capturé cet impressionnant front ascendant de nuages de poussière - visible dans la moitié droite du cadre - près de la calotte glaciaire polaire nord de Mars en avril de cette année. C'était l'une des nombreuses tempêtes de poussière locales à petite échelle qui ont été observées ces derniers mois sur la planète rouge, qui subit actuellement une saison de tempête de poussière particulièrement intense. Une tempête beaucoup plus importante a émergé plus au sud-ouest à la fin du mois de mai et s'est transformée en une tempête mondiale, tempête de poussière entourant la planète en quelques semaines. L'intensité de cet événement majeur signifie que très peu de lumière du Soleil atteint la surface martienne, une situation suffisamment extrême pour que le rover Opportunity de la NASA, âgé de 15 ans, n'ait pas pu recharger ses batteries et appeler chez lui :il est en mode hibernation depuis la mi-juin. Crédit :ESA/DLR/FU Berlin, CC BY-SA 3.0 IGO
Ce constat est étayé par les recherches menées par Jean-Yves, qui a modélisé la densité des atomes d'hydrogène dans la haute atmosphère de Mars sur deux ans et a exploré comment cela était lié à la fuite d'eau.
"Nous avons comparé nos résultats aux données SPICAM et avons trouvé un bon accord, sauf pendant la saison poussiéreuse, lorsque notre modèle a sous-estimé la quantité d'hydrogène présente, ", explique Jean-Yves. "Beaucoup plus d'eau s'échappe dans l'atmosphère lors de conditions perturbées que ne le prévoyait le modèle."
Pendant deux années martiennes, dont l'un a subi une tempête de poussière, Jean-Yves et ses collègues ont estimé que le taux de perte d'eau variait d'un facteur 100 environ, soulignant l'effet significatif que les tempêtes de poussière peuvent avoir sur les taux de perte d'eau de Mars.
Les résultats montrent que Mars perd l'équivalent d'une couche d'eau mondiale de deux mètres de profondeur tous les milliards d'années. Cependant, même accumulé au cours des quatre milliards d'années d'histoire de Mars, ce montant est insuffisant pour expliquer où est passée toute l'eau de Mars.
"Une quantité importante doit avoir existé autrefois sur la planète pour expliquer les caractéristiques créées par l'eau que nous voyons, " dit Jean-Yves. " Comme tout n'a pas été perdu dans l'espace, nos résultats suggèrent que soit cette eau s'est déplacée sous terre, ou que les taux de fuite d'eau étaient beaucoup plus élevés dans le passé. »
Les résultats d'Anna, Jean-Yves et ses collègues complètent les récentes découvertes de l'ESA-Roscosmos ExoMars Trace Gas Orbiter (TGO), lequel, depuis 2018 et aux côtés de Mars Express, a surveillé la répartition de l'eau par altitude dans l'atmosphère de Mars. Ces résultats suggèrent que le taux de perte d'eau de Mars peut être lié aux changements saisonniers.
Le travail de Mars Express pour déterminer la perte d'eau de Mars est également soutenu par la mission MAVEN (Mars Atmosphere and Volatile Evolution) de la NASA, qui mesure systématiquement la composition chimique de l'atmosphère martienne (en particulier, les niveaux d'hydrogène atomique et de deutérium, un isotope lourd de l'hydrogène). De telles données multi-missions aideront à limiter non seulement le comportement actuel de l'eau, mais également la perte d'eau cumulée au cours de l'histoire martienne, vitale pour déterminer si l'eau de Mars est allée sous terre ou dans l'espace.
"Deux thèmes clés dans notre exploration continue de Mars sont l'évolution de la planète et la perte d'eau, et le rôle des tempêtes de poussière dans la formation du climat et de l'atmosphère martienne, " dit Dmitrij Titov, Scientifique du projet Mars Express de l'ESA.
"Ces résultats nous aident à comprendre les processus à long terme derrière la perte d'eau de Mars et brossent un tableau non seulement de sa climatologie actuelle, mais comment son climat a changé à travers l'histoire. Pour de telles études, nous avons besoin du type d'ensembles de données de haute qualité fournis par SPICAM ainsi que des instruments à bord du TGO d'ExoMars. Ensemble, ces missions avancées et d'autres continueront de dévoiler les mystères de Mars."
Mars Express lancé le 2 juin 2003, et a passé plus de 17 ans en orbite autour de Mars à surveiller attentivement les propriétés de l'atmosphère de la planète.
